基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井智慧照明系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

原紅飛

(潞安環(huán)能股份公司 漳村煤礦，山西 長治 046032)

在生產(chǎn)和生活中，節(jié)能不僅能夠節(jié)約成本的損耗，也能夠有效地避免不必要的設(shè)備損耗。在我國的各個領(lǐng)域均有不同的科研人員設(shè)計節(jié)能的照明系統(tǒng)，比如聲控?zé)簟⒐饪責(zé)舻龋瑯樱旱V井下的照明要求更高，幾乎是24 h不間斷使用，因此耗電量更大。隨著物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，目前智慧照明系統(tǒng)已經(jīng)普遍應(yīng)用在了各個行業(yè)，建設(shè)一套適用于礦井的智慧照明系統(tǒng)就顯得十分必要了。

礦用巷道燈廣泛適用于有甲烷、煤塵等爆炸性混合氣體的環(huán)境，用作巷道或固定地點的照明，比如在煤礦運輸大巷、井底車場、機電硐室等地點均普遍使用。巷道燈一般具備防爆等級高、壽命長的優(yōu)點。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井智慧照明系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 設(shè)計內(nèi)容

1) 設(shè)計一套既能雙向通信，又能存儲數(shù)據(jù)的高性能智慧照明分站，按照“符合規(guī)程、按需照明、動態(tài)調(diào)整”的原則，實現(xiàn)節(jié)約能源、光強適度功能，動態(tài)調(diào)整時間小于5sec。

2) 設(shè)計智慧照明嵌入式控制裝置，安裝在巷道燈配電裝置內(nèi)的防爆腔中，實現(xiàn)智慧照明控制動態(tài)調(diào)整及時。

3) 設(shè)計基于煤礦綜合監(jiān)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)控軟件系統(tǒng)平臺，與智慧照明嵌入式控制裝置配合，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

1.2 應(yīng)達到的技術(shù)指標和參數(shù)

物聯(lián)網(wǎng)智慧照明系統(tǒng)應(yīng)達到的指標見表1。

表1 物聯(lián)網(wǎng)智慧照明系統(tǒng)應(yīng)達到的指標和參數(shù)

1.3 組網(wǎng)原理及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

1) 物聯(lián)網(wǎng)通過各種裝置與技術(shù)，實時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，通過各種可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理，將各種信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成一個巨大網(wǎng)絡(luò)，是互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)利用智慧照明技術(shù)實現(xiàn)LED照明應(yīng)用的需求，拓展能力好，可以有效節(jié)約能源，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

2) 采用基于物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee無線模塊構(gòu)成通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)LED照明系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化。ZigBee能夠在數(shù)千個微小的傳感傳動單元之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，并且這些單元只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它的通信效率非常高，這種技術(shù)低功耗、抗干擾、高可靠、易組網(wǎng)、易擴容、易使用、易維護、便于快速大規(guī)模部署等特點順應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求和趨勢。

3) 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，傳輸采用RS485傳輸模式，利用雙絞線或監(jiān)控電纜實施數(shù)據(jù)傳輸。距離較短時采用雙絞線，距離長時使用專用阻抗匹配(一般為120 Ω)的RS485專用電纜，干擾嚴重的地方需要使用屏蔽式電纜，將計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、單片機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等一系列現(xiàn)代技術(shù)進行融合，具備非常豐富且能夠不斷擴展的功能。

2 雷達感應(yīng)LED巷道燈的設(shè)計

2.1 感應(yīng)燈的設(shè)計

首先在感應(yīng)燈具里面，雷達感應(yīng)比原來傳統(tǒng)的聲控感應(yīng)和人體紅外感應(yīng)更智能，雷達感應(yīng)的是明顯的移動物體，感應(yīng)靈敏度比較高，人來燈亮人走燈滅或者微亮，感應(yīng)距離也比較遠(可達5～10 m)，人未到燈已亮，而且不受環(huán)境和聲音分貝的影響，雷達感應(yīng)可以穿透非金屬物體來感應(yīng)，無需外露感應(yīng)探頭，隱秘性比較高不會影響燈具外觀。但是雷達感應(yīng)怕金屬，金屬會屏閉感應(yīng)信號，所以建議燈具安裝時感應(yīng)面不要有金屬物體遮擋，最好盡量避免靠近金屬物體，并且燈與燈之間安裝間隔最少在2.5 m以上。目前，雷達感應(yīng)也是替代傳統(tǒng)聲控感應(yīng)和紅外人體感應(yīng)的最佳選擇。

2.2 雷達感應(yīng)電器設(shè)計

微波感應(yīng)控制器采用STM32系列中央處理器，由覆銅板環(huán)形線路和微波電路組成一個微波振蕩器，環(huán)形天線既做發(fā)射信號用，同時也用于接收反射回波用。其控制器軸線方向產(chǎn)生一個橢圓形半徑為0～5.5 m空間微波識別區(qū)，當(dāng)人體或車輛活動時，天線接收到回波信號后，在半導(dǎo)體PN結(jié)與原微波混頻后差拍得到頻移信號 。該信號通過微波專用處理電路，將小動物、遠距離的物體晃動、高頻雜波信號等引起的干擾去除，避免誤觸發(fā)，提高可靠性。將一定強度的頻移信號轉(zhuǎn)化成脈寬調(diào)制信號(PWM)，電路只識別脈沖足夠?qū)挼膯误w信號，如人體、車輛其鑒別電路才被觸發(fā)。微波感應(yīng)控制器工作非常可靠，一般沒有誤報，比紅外線、超聲波等原理的觸發(fā)電路更為可靠，是目前用于安全防范和自動監(jiān)控的最佳產(chǎn)品，其檢測靈敏度高，探測范圍寬，誤觸發(fā)極低，能在-25～+45°的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作,非常適合井下復(fù)雜環(huán)境下使用。

3 應(yīng)用效果

為了驗證基于物聯(lián)網(wǎng)的礦井智慧照明系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用效果，在對漳村礦幾個現(xiàn)場考察調(diào)研后，選擇在漳村礦井下二部膠帶巷進行現(xiàn)場試驗。

安裝完成后，當(dāng)人員靠近感應(yīng)燈時，燈光變亮，當(dāng)人員遠離后，燈光變暗。經(jīng)濟效益分析如下。

3.1 未采用智能燈時的耗電量

按照每盞燈功率為18 W計算，在未實行自動控制之前，每日每盞燈的的耗電量為：

18×24=432 W·h

按照每5 m一盞燈計算，一條1 000 m的巷道需安裝燈200盞，累計日耗電量為：

432×200=86 400 W·h

3.2 采用智能燈時的耗電量

智能燈在待機狀態(tài)下，每日每盞燈的功率約為6 W，根據(jù)實際經(jīng)驗，考慮人員經(jīng)過主要集中在上下班期間，每天有6 h采用高功率供電。1 000 m巷道實際用電量為：

6×18+18×6=216 W·h

同樣按照每千米巷道200盞燈計算，累計日耗電量為：

216×200=43 200 W·h

綜上，井下每1 000 m巷道日節(jié)約電量為86 400-43 200=43 200 W·h，節(jié)電效率提升50%。漳村礦膠帶巷共計照明燈1 600余個，預(yù)計全部采用后可節(jié)約電量259.2 kW·h，按照每千瓦電費0.844元計算，每日可節(jié)約用電成本218.7元，全年累計節(jié)約資金近8萬元。

4 結(jié) 語

漳村礦采用本項目成果后，照明能耗大大降低，應(yīng)用結(jié)果表明：整個工作面照明節(jié)能平均率均達到 50%以上，較原先節(jié)能技術(shù)提高 30 個百分點以上。實現(xiàn)了遠程開關(guān)降低能耗，可以實現(xiàn)其他控制方式不能達到節(jié)能效果，突破性地解決了節(jié)能降耗的難題，一次投入，長期受益，產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟和社會效益。